Nghiên cứu quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải bằng xúc tác NaOH/bentonite
Hiện nay, tình trạng thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường từ nhiên liệu hóa thạch đang là vấn đề nghiêm trọng. Biodiesel nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhờ khả năng phân hủy sinh học, không độc hại và được sản xuất từ nguồn tái tạo như dầu ăn thải. Điều này giúp giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, bảo vệ tài nguyên thiên nhiên, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.
Việc sử dụng dầu ăn trong ngành thực phẩm tăng dẫn đến lượng dầu ăn thải (WCO) càng nhiều, gây áp lực kinh tế và môi trường. Xử lý WCO không đúng cách có thể gây tắc nghẽn cống rãnh, ô nhiễm nguồn nước ngầm, đồng thời làm mất cân bằng hệ sinh thái dưới nước. Việc tái chế WCO thành biodiesel giúp giảm chi phí xử lý chất thải, giảm ô nhiễm từ đó xây dựng nền kinh tế bền vững.
Nhiều phương pháp sản xuất biodiesel từ WCO như transesterification xúc tác kiềm, enzymatic và acid đều có ưu nhược điểm riêng. Bên cạnh đó, nghiên cứu lựa chọn xúc tác và điều kiện phản ứng tối ưu là rất cần thiết. Trong đó, xúc tác NaOH/bentonite nổi bật với độ ổn định cao, khả năng tái sử dụng, có lợi về mặt kinh tế, xã hội và môi trường.
Để nâng cao hiệu quả tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải, các thông số như tỷ lệ mol alcohol, nồng độ xúc tác, nhiệt độ và thời gian phản ứng cần được tối ưu hóa. Phương pháp RSM (Response Surface Methodology) đã chứng minh hiệu quả trong việc xây dựng mô hình toán học và xác định điều kiện tối ưu, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.
Từ những lí do trên, tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải bằng xúc tác NaOH/bentonite”.
(1) Tối ưu hóa các thông số quan trọng như tỉ lệ mol giữa dầu ăn thải và xúc tác, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng và áp suất để đạt được hiệu suất cao và chất lượng tốt nhất của quá trình tổng hợp biodiesel.
(2) Nghiên cứu và tối ưu hoá trên mô hình hồi quy để dự đoán và đạt được điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp biodiesel.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Dầu ăn thải.
Chất xúc tác NaOH/bentonite.
Phương pháp bề mặt đáp ứng để xác định điều kiện tối ưu.
Biodiesel.
Nghiên cứu tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình tổng hợp biodiesel. Các yếu tố này bao gồm tỉ lệ mol alcohol:oil, hàm lượng xúc tác NaOH/bentonite và nhiệt độ phản ứng.
Các điều kiện tối ưu cho quá trình, đánh giá tương quan giữa các yếu tố và hiệu suất chuyển hoá, tìm ra điều kiện tối ưu dựa trên mô hình thống kê.
Phương pháp RSM cụ thể là Box-Behnken Design (BBD) để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp biodiesel. Phương pháp này kết hợp thực nghiệm, mô hình hóa và phân tích thống kê để đạt được hiệu suất cao và chất lượng tốt trong quá trình tổng hợp biodiesel.
– Thực nghiệm: xử lí mẫu dầu ăn thải, chuẩn bị chất xúc tác, quá trình chính sử dụng phương pháp chuẩn độ, ester hoá, transester hoá, rửa sản phẩm, phân tích dữ liệu.
– Xử lí số liệu: lập mô hình và tối ưu hoá bằng phương pháp bề mặt đáp ứng.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu này giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng của quá trình sản xuất bằng cách xác định các yếu tố quan trọng như tỉ lệ mol giữa WCO và alcohol, hàm lượng chất xúc tác và nhiệt độ phản ứng. Đề tài đóng góp vào việc tối ưu hoá các thông số quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất chuyển hóa và chất lượng của biodiesel. Việc nghiên cứu và ứng dụng xúc tác NaOH/bentonite trong tổng hợp biodiesel mang ý nghĩa khoa học trong việc tìm hiểu và tối ưu hóa quá trình chuyển hoá thành công.
Sản xuất biodiesel từ dầu ăn thải có tiềm năng trong việc đảm bảo nguồn năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch, đóng góp vào việc đa dạng hóa nguồn năng lượng và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này cũng đóng góp vào quá trình phát triển và áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng trong quá trình sản xuất biodiesel, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của phương pháp này trong lĩnh vực chuyển hóa nhiên liệu tái tạo.
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Tổng quan về vấn đề năng lượng trên thế giới và Việt Nam.
Giới thiệu về các phương pháp sản xuất biodiesel.
Tổng quan về dầu ăn thải.
Nguyên lí quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình transester hóa.
Nghiên cứu các loại chất xúc tác cho quá trình transester hóa.
Giới thiệu về xúc tác NaOH/bentonite.
Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình transester hóa bằng phương pháp BBD.
Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu
Dụng cụ, hóa chất và thiết bị dùng trong nghiên cứu.
Nội dung thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận.
Kết luận và kiến nghị
1.2. Biodiesel và công nghệ sản xuất biodiesel
Biodiesel là nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Được sản xuất chủ yếu thông qua quá trình transesterification, biodiesel không chỉ giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch mà còn giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường.
Biodiesel là chất lỏng, sánh, thường có màu vàng đến nâu nhạt tuỳ thuộc vào nguồn nguyên liệu và quy trình sản xuất. Biodiesel thường có độ nhớt cao hơn so với diesel từ dầu mỏ. Bên cạnh đó, biodiesel thường có điểm chớp cháy cao hơn so với diesel truyền thống. Biodiesel còn có tính ổn định hoá học cao, giúp giảm thiểu quá trình oxy hóa và độ hỏng hóc khi lưu trữ và vận chuyển giúp làm giảm nguy cơ về sự hình thành chất cặn và cặn trong nhiên liệu.
Giao thông vận tải, công nghiệp và nông nghiệp, sản xuất năng lượng, đời sống con người.
Việc sử dụng biodiesel ngày càng phổ biến bởi những ưu điểm vượt trội so với nhiên liệu diesel truyền thống. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, biodiesel cũng có một số nhược điểm cần được cân nhắc.
Nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel rất đa dạng, bao gồm dầu thực vật, dầu động vật, mỡ cá, tảo,..
Phản ứng tổng
xúc tác
Hình 1.1. Quá trình tổng thể phản ứng transester hoá của dầu ăn thải với methanol.
Bột đất sét bentonite là một loại chất chống oxy hóa tự nhiên được tạo ra từ sự biến đổi của tro núi lửa, có thành phần chính là khoáng montmorillonite (MMT). Tính chất đặc trưng của bentonite là khả năng tạo thành huyền phù khi tiếp xúc với nước, đi kèm với khối lượng tăng lên từ 12 – 15 lần so với khối lượng sét khô và khả năng trao đổi cation cao.
.
Hình 1.2. Ảnh SEM của mẫu bentonite [34]
Xúc tác NaOH/bentonite được xem là một trong những xúc tác quan trọng trong quá trình tổng hợp biodiesel từ WCO. Sự kết hợp giữa NaOH và bentonite tạo ra một hệ thống xúc tác mạnh mẽ, giúp tăng cường khả năng hoạt động và hiệu suất của quá trình transester hoá. Xúc tác NaOH/bentonite có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không giảm đi hiệu suất phản ứng
Dầu mỡ ngoài thành phần là glyceride còn có chứa một số tạp chất khác. Khi dầu mỡ đã qua sử dụng thì hàm lượng tạp chất càng nhiều hơn. Các tạp chất chứa trong dầu thường là các acid béo tự do, tạp chất vô cơ, các hợp chất protein, glucid,…
Dầu ăn thải thường được tái chế thành biodiesel, giúp giảm khí thải và có lợi cho môi trường. Nhiều quốc gia đã triển khai các chương trình thu gom và tái chế dầu ăn thải hiệu quả, khuyến khích hộ gia đình lưu trữ dầu thải để thu gom và tái chế, góp phần giảm ô nhiễm và phát thải carbon.
Phương pháp truyền thống là “one factor at a time” (OFAT), nơi một yếu tố được thay đổi mỗi lần để quan sát ảnh hưởng của nó lên kết quả. Các phương pháp hiện đại như thiết kế thực nghiệm đa yếu tố (Factorial Design) và Phương pháp bề mặt Phản ứng (Response Surface Methodology, RSM) đã được phát triển để khắc phục nhược điểm của OFAT [43].
1.6.2. Sơ lược về phương pháp Box-Behnken Design
Phương pháp Box-Behnken Design (BBD) là một kỹ thuật thống kê trong lĩnh vực thiết kế thực nghiệm, được phát triển bởi George E. P. Box và Donald Behnken. Nói một cách đơn giản, BBD giúp ta xác định làm thế nào các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả cuối cùng bằng cách sử dụng một số lượng thí nghiệm nhất định mà không cần thực hiện quá nhiều thử nghiệm.
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Hoá chất, dụng cụ, thiết bị
Hóa chất được sử dụng trong đề tài nghiên cứu này bao gồm: WCO – có nguồn gốc thực vật được lấy từ một cơ sở ăn uống cố định tại quận Cẩm Lệ, TP. Đà Nẵng, nước cất được cất trực tiếp tại phòng thí nghiệm Hóa học – Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng, các hóa chất sau có độ tinh khiết trên 99%, xuất xứ Xilong – Trung Quốc: methanol, isopropylic ancol, sodium hydroxide, potassium hydroxide, phenolphtalein, hydrochloric acid, sodium carbonate, bột bentonite sử dụng trong xây dựng – xuất xứ Ấn Độ được mua tại VMC Đà Nẵng.
Dụng cụ: bình cầu ba cổ 1000 ml, ống sinh hàn, ống đong, cốc thủy tinh, pipet, phễu chiết, buret, bình tam giác có nút mài, bình định mức, đũa thuỷ tinh, nhiệt kế, nhớt kế, đèn cồn, chày cối sứ, giấy lọc.
Các thiết bị: máy khuấy từ và gia nhiệt, máy ly tâm, bếp điện, cân phân tích, tủ sấy, lò nung.
Thiết bị phân tích:
+ Thiết bị đo quang phổ hồng ngoại FT-IR (FT-IR 6800 Jasco, số sóng từ 499,473 cm-1 – 4000,6 cm-1).
+ Hệ thống sắc ký khối phổ GC-MS (Agilent 7683B Autosampler).
+ Thiết bị đo XRD (Bruker Eco D8 advance, đo với điện áp 40kV, cường độ dòng điện 25 mA, tia X Cu Kα, bước sóng λ = 1,5418 Å, phạm vi góc 2θ = 5-80o).
+ Thiết bị đo độ nhớt theo tiêu chuẩn ASTM D6751 (tự động).
F:\DỮ LIỆU MỚI CẦN ĐỔI TÊN VÀ ĐĂNG 2025\TAI LIEU C YEN-2024\Quản trị rủi tín dụng khách hàng cá nhân tại Ngân hàng Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn Việt Nam chi nhánh Huyện Buôn Đôn\THAM KHẢO\NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ DẦU ĂN TH
